2D-SiO2f/SiO2-BN复合材料的制备与烧蚀性能研究

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本文以石英纤维布、硅溶胶、BN粉、石英粉为原料,采用溶胶凝胶法、料浆浸渍法和热压烧结工艺制备了2D-SiO2f/SiO2-BN复合材料,即SBN系列,在此基础上引入弱界面层,制备了SBN-BN系列(弱界面层是纯BN料浆)和SBN-BNS系列(弱界面层是BN-SiO2料浆)复合材料,利用XRD、SEM等分析手段和三点弯曲、单边缺口梁、氧-乙炔烧蚀等实验方法,研究了制备工艺和弱界面层的引入对复合材料析晶行为、力学性能和烧蚀性能的影响规律。实验结果表明,SBN系列复合材料800℃热处理后XRD结果显示,纤维有序化程度提高;浸渍硅溶胶得到的复合材料的密度比未浸渍硅溶胶的高5.2%,且复合材料的断裂方式是韧性断裂,断口粗糙不平,断口有纤维拔出,复合材料的力学性能优于未浸渍硅溶胶的复合材料;抽真空使得纤维布挂浆量增加188%,但是密度仅减少了0.47%,相比未抽真空下制备的复合材料,抗弯强度降低了5.97%。SBN系列复合材料的析晶温度是1200℃,在1200℃、10MPa下制备的SBN系列熔石英基复合材料抗弯强度、弹性模量、断裂韧性达到了最大值分别是49.48MPa(Z),46.69MPa(X-Y);12.6GPa(Z),9.5GPa(X-Y);1.03MPa·m1/2(Z),0.86MPa·m1/2(X-Y)。复合材料的最佳制备工艺是:浸渍硅溶胶24h,超声振荡1h,在50℃下干燥3h(不抽真空),随后浸渍基体料浆24h,超声1h,在30℃下干燥2h,最后无压铺层并于1100℃、10MPa下热压烧结。SBN-BN系列复合材料具有明显的各向异性,1100℃、10MPa热压烧结复合材料的抗弯强度、弹性模量、断裂韧性分别是8.92MPa(Z),22.00MPa(X-Y);13.2GPa(Z),19.9GPa(X-Y);0.56MPa·m1/2(Z),0.42MPa·m1/2(X-Y)。SBN-BNS系列弱界面层中加入少量的nm-SiO2,减小了各向异性,1100℃、10MPa热压烧结复合材料的抗弯强度、弹性模量、断裂韧性分别是15.19MPa(Z),15.85MPa(X-Y);11.4GPa(Z),13.1GPa(X-Y);0.29MPa·m1/2(Z),0.28MPa·m1/2(X-Y)。相同烧蚀时间和烧蚀温度下,SBN系列复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率最低,分别是0.0304g/s和0.0323mm/s,抗烧蚀性能最好;SBN系列、SBN-BN系列、SBN-BNS系列熔石英基复合材料的烧蚀机制都是氧化、升华和机械冲刷的综合作用,不同系列复合材料在不同区域的烧蚀机制也有明显不同;SBN-BNS系列在弱界面层中引入了纳米SiO2,起到了很好的层状剥蚀的效果,质量烧蚀率和线烧蚀率分别是0.0357g/s和0.0512mm/s。
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